随著(zhe)現代工業和高技術産業快速發(fā)展，器件小型化成(chéng)爲未來的發(fā)展趨勢。增材制造（3D打印）作爲近三十年來全球先進(jìn)制造領域的一項新型數字化成(chéng)型制造技術，在快速成(chéng)型、精确定位、直接構築傳統加工技術無法實現的高深寬比複雜三維結構，遠優于現有微器件加工技術。但商業化增材制造設備在打印精度(在0.1mm量級)和特征尺度(如高深寬比)方面(miàn)尚無法用于微納器件的直接制造。因此，開(kāi)發(fā)具有高精度、高效率和多材質的3D微納打印技術是未來增材制造的主要發(fā)展趨勢。
針對(duì)高深寬比複雜三維微結構在器件小型化和微系統技術中的的重大需求，甯波材料所增材制造研發(fā)團隊自2013年起(qǐ)緻力于“直寫式”3D微打印技術開(kāi)發(fā)。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已經(jīng)研制出集電化學(xué)沉積、材料擠出和定點腐蝕技術于一體的多材料三維微納打印系統。該系統成(chéng)型精度達到±50nm，成(chéng)型速度達到0.112μm3·s−1，表面(miàn)精度達到Ra±2nm。利用本系統能(néng)實現金屬、高分子、陶瓷等多種(zhǒng)材料的三維微結構加工。
圖1. 不同基底上的純銅微米線陣列
微納尺度三維結構的核心性能(néng)取決于材料性能(néng)與結構性能(néng)兩(liǎng)方面(miàn)，對(duì)其在微納器件中的應用至關重要。因此，微納結構的性能(néng)測試一直是業界研究熱點。主流的測試方法主要采用原子力顯微(AFM)技術，設備昂貴，難以大規模普及。針對(duì)這(zhè)個問題，研究人員采用微尺度力學(xué)方法，開(kāi)發(fā)了測量材料楊式模量的靜态法和測量微結構柔性的動态測量法，并將(jiāng)其應用于微米尺度微結構性能(néng)表征。
圖2. 微結構力學(xué)性能(néng)測試方法及實例
研究人員通過(guò)測試發(fā)現，3D微打印制備的三維微結構由銅納米晶組成(chéng)，其楊氏模量和導電性能(néng)均優于傳統工藝，分别達到122.6Gpa和2785S·cm−1，接近塊體銅的性質；銅螺旋線的柔性可達到0.5989 × 10−14N·m2以下。基于其優良性能(néng)，研究人員正在開(kāi)發(fā)基于多種(zhǒng)三維微結構的微機電執行器和光位移生物傳感器。
該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委(Grant No. 11574331)和甯波市科技局(Grant No. 2015B11002 & 2016B10005)的支持。
（納米事(shì)業部 郭建軍）
